集中空调二次泵水系统简析

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　　摘要：二次泵变流量水系统在大规模建筑中的应用，降低了集中空调系统的输送能耗，符合国家对建筑节能的要求。下面从二次泵变流量系统的特点及设计、能耗及调节控制等方面进行简要分析。
　　 关键词：二次泵 变流量 连通管 变速控制
　　0引言
　　 随着建筑中集中空调使用的越来越广泛，建筑能耗更随之增加，由于变频技术的使用可以大大降低空调能耗，因此也日益受到重视。相比一次泵变流量系统来说，虽然其节能效果不如一次泵变流量系统，但是由于一次泵变流量系统需要有变流量制冷设备的支持，其运行稳定性还不能让人放心，故二次泵变流量系统相对多见，特别是对于系统大，空调负荷变化大，能源中心与空调建筑相对位置较远的情况尤为适用。
　　1二次泵系统的运行特点及设计
　　1.1在二次泵变流量系统中（见图1），
　　
　　
　　
　　设有两级泵，一级泵为定流量，满足一次循环回路中冷水循环，二级泵为变流量，负责将冷水分配给二次循环回路中的用户，一次循环回路与二次循环回路通过连通管连接，当制冷机负荷与用户负荷相等时，连通管内流量为零；当用户负荷减少时，连通管内流量从供水流向回水。这样二级泵不受最小流量的限制，可采用二通阀加变频器来控制流量。
　　1.2二次泵系统设计要点
　　1.2.1冷水循环泵：一次泵的扬程：克服冷水机组蒸发器到连通管的一次环路的阻力；二次泵的扬程：克服从连通管到负荷侧的二次环路的阻力。
　　1.2.2连通管：连通管流量一般不超过最大单台冷水机组的额定流量。连通管管径一般与空调供、回水总管管径相同，其长度超过2米，减少水管弯头处湍流现象。
　　1.2.3冷水机组的加、减机：
　　（1）冷水机组的加机：以压缩机运行电流为依据：若机组运行电流与额定电流的百分比大于设定值（如90%），并且持续10~15min，则开启另一台机组；以空调负荷为依据：测量负荷侧的流量和供、回水温差，计算空调负荷。若空调负荷大于冷水机组提供的最大负荷，且此状态持续10~15min，则开启另一台冷水机组。
　　（2）冷水机组的减机：以连通管的流量为依据：当连通管内的冷水从供水总管流向回水总管，并且流量达到单台冷冻机设计流量的110%~120%，如果这种状态持续10~15min，则关闭一台冷水机组；以空调负荷为依据：测量负荷侧的流量和供、回水温差，计算空调负荷。若减少某台冷水机组后，剩余机组提供的最大负荷满足空调负荷要求，且此状态持续10~15min，则关闭该台冷水机组。
　　2二次泵系统能耗分析
　　2.1水泵变频节能机理
　　图2为水泵的性能曲线与管网特性曲线地关系图。
　　
　　
　　
　　图中s1 、s2为管网的性能曲线，取决与管网的特性（水路中的管道、连接件、阀门及组合空调箱的阻力特性），且随阀门开启度的变化而变化；Ⅰ、Ⅱ为水泵的流量和扬程之间的关系特性曲线，电流频率改变引起水泵的转速改变，其特性曲线也随着发生变化。
　　 在设计工况下，系统在设计压力和设计流量下运行，运行点就是水泵特性曲线与管网特性曲线的交点1。当空调系统在部分负荷下运行时，电动二通阀关小或末端某个空调箱停机、末端水量由Q1变至Q2，系统阻力增加，引起管网特性曲线由s1变化至s2，如果此时水泵恒速工作，要使水泵流量变为Q2，就必须关小泵后阀门，使系统阻力从p2增至p0，水泵在点3工作。此时系统的流量减少，要求较小的压力，但水泵压力不仅没有降低，反而升高了，只有靠关小阀门增加阻力来保证流量，这样水泵工作点脱离高效区，造成能源的浪费和运行维护费用的升高，是很不合理的。
　　 水泵系统增加变频调速器可使其从恒速状态转变为变速变流量状态，从而节省能源并增强了控制能力，同时避免了控制阀压力过大的现象。对于三相异步电动机，存在关系式：
　　 n=60f/m
　　式中n为电动机同步转速；f为交流电频率；m为电动机级对数。即水泵转速与电流频率成正比。变频器根据系统要求运行，当末端空调箱的二通阀关小或末端空调箱停机时，末端的流量减至Q2，管网特性曲线变为s2，水泵变频后特性曲线由Ⅰ变至Ⅱ，水泵流量由Q1变至
　　Q2，扬程变为p2，此时的工作点为图2中的点2，不需要关小阀门来增加系统阻力，从而降低了能耗。
　　2.2二次泵变频控制系统能耗分析
　　 在空调能耗计算中，温度频率法是一种实用简化的分析方法，使用简单，精度又能满足全年能耗分析的要求。以上海地区的某工厂车间为例估算整个空调系统的负荷率。取室内设计干球温度为26℃，相对湿度55%，计算不同温度下的负荷率和水泵功率。在图2中，点1和点2并不满足水泵相似定律，即水泵消耗的功率不与流量的三次方成正比，而是介于一次方和三次方之间。为了便于计算，仍按三次方关系计算不同负荷率下的二级泵功率。根据当地的温度频率统计数据列出表1
　　
　　
　　
　　从表1可以看出，在部分负荷下变频二级泵总耗电量为不变频时的74%（不包括一级泵的耗电量），虽然二次泵变频控制系统的初投资较大，但其运行费用会降低。
　　3二次泵系统的调节及控制
　　3.1二次泵系统是一个变水量系统，通过改变循环水量实现对用户侧的负荷调节。常见的变水量调节方式有台数调节和变速调节两种。
　　3.1.1台数调节
　　 传统一次泵系统的台数调节较多采用差压控制。二次泵系统的台数调节主要采用流量控制，在控制精度较高的场合多采用负荷控制。
　　差压控制是利用水泵并联特性曲线，设定一个供回水压力波动范围，当负荷变化引起管网流量改变时，供回水压力随之波动，当超过设定上限值时，增加泵运行台数；当低于设定下限值时，减少泵运行台数。
　　 流量控制是根据连通管内水流的方向和大小控制水泵及相应制冷机的启停。当用户负荷减小，二次流量减少时，一次流量过剩，连通管内冷水由供水流向回水。当连通管内流量大于单泵流量110%时，关闭一台制冷机及相应水泵；当用户负荷增加，一次流量出现不足时，连通管内冷水逆向流动，当连通管内流量大于单泵流量20%时，开启一台水泵及相应的制冷机。提前开启制冷机的目的是避免二次供水温度出现较大波动。
　　 由于末端设备热特性具有非线性特点，当流量需求减至一台水泵的流量时，并非意味着用户负荷也减至一台制冷机的容量。因此，在控制要求较高的场合应采用负荷控制。负荷控制是通过检测一次侧供回水管上的温差和流量计算得到需冷量，当需冷量减少相当于一台制冷机的容量时停一台水泵及相应的制冷机。较之流量控制，负荷控制可有效解决水力、热力工况不协调的问题。
　　3.1.2变速调节
　　 二次泵需克服管网、盘管、平衡阀及控制阀等的阻力。在定速变水量系统中，当流量减少时，管网、盘管及平衡阀的压降减小，但循环泵扬程有所增加，二者之间的差值必须由控制阀（二通阀）来负担，因此，定速变水量系统的节能效果并不明显，在极低负荷时，控制阀会因压差过大失控，使过量冷水通过盘管。
　　 采用水泵变速调节可以克服上述弊端。当负荷减小时，通过改变水泵转速使扬程和流量减少，可以获得明显的节能效果。考虑变频器效率和电机散热等因素，变速调节应有一个最低转速限制（一般为额定转速的30%）。当负荷变化范围较大时，常采用多泵并联变速调节实现节能运行。
　　3.2水泵变速调节的控制
　　 根据相似定律，相似工况点处水泵功率与其转速的三次方成正比。在忽略静扬程时，系统曲线上的点为相似工况点，满足相似定律。在变速变水量系统中，水泵变速调节常采用恒压差控制，控制曲线与系统曲线不重合。因此，水泵功率与转速也不满足三次方定律。
　　
　　
　　
　　图3是水泵变速调节恒定压差控制时各曲线间的关系。水泵扬程由恒定压差和可变压差两部分组成，恒定压差为压差传感器控制回路的压差，控制回路由盘管、平衡阀和控制阀组成，其值不随流量变化而改变；可变压差为输配管网压降，与管网流量平方成正比。管网曲线向上平移一个恒定压差即得控制曲线，由图3可以看出，恒定压差越小，系统的节能效果就越好。图3中控制曲线是在用户负荷比例变化条件下得到的一条平均曲线。根据上述分析方法，分析系统在不同负荷分布不同控制方式下所需的水泵扬程可得出结论：系统近端定压差时，水泵扬程需求仅取决于负荷大小而与负荷分布无关；远端定压差时，水泵扬程需求不仅与负荷大小有关，还与负荷分布有关。除用户全开或全关两种工况外，远端定压差时系统扬程需求较近端时小，系统运行较为节能。这是因为远端定压差时，系统具有最大的可变扬程。系统远端定压差时，用户负荷集中于近端时系统扬程需求较负荷比例变化时小，负荷集中于远端事系统扬程需求较负荷比例变化时大，这是因为远端负荷需要的输送能耗大。
　　4结论
　　通过对二次泵系统的简要分析，使读者对该系统的特点及设计要点以及节能原理，控制原理及方式都有了简单的了解，有助于我们在实际工程中根据项目情况恰当的采用二次泵系统，既能获得良好的运行效果，又能节约能源，便于管理。
　　
　　参考文献
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　　[3]郭勤，空调水系统二次泵变频控制节能原理的浅谈，空调暖通技术，2002（4）
　　[4]姚国梁，空调变频水泵节能问题探讨，暖通空调，2004（34）
　　
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